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高灰分煤種SCR脫硝裝置催化劑選擇論述
0.前言
根據《國務院關于印發“十二五”節能減排綜合性工作方案的通知》（國發【2011】26號）規定： “十二五”期間新建燃煤機組全部安裝脫硫脫硝設施，單機容量30萬千瓦及以上現役燃煤機組全部加裝脫硝設施。所以，煙氣脫硝技術的應用是當前火力發電廠面臨解決的問題。
煙氣脫硝技術主要包括：選擇性催化還原法（SCR）、選擇性非催化還原法（SNCR）、選擇性非催化還原與選擇性催化還原聯合法（SNCR/SCR）、液體吸收法、微生物法、活性炭吸附法、電子束法等。其中， SCR脫硝技術是國外最廣泛采用的煙氣脫硝技術，也是我國火電廠煙氣脫硝的首選技術。SCR脫硝系統由SCR反應器、煙道系統、氨儲存和制備系統系統、氨噴射和混合系統和控制系統等組成。SCR脫硝催化劑作為系統的核心部件，直接決定著SCR系統的運行效果，同時由于SCR催化劑價格昂貴，對系統造價有很大貢獻，約占總造價的40-50%。
1.脫硝催化劑的發展
目前電廠脫硝催化劑類型有平板式催化劑、蜂窩式催化劑和波紋板式催化劑三種，絕大多數電廠均采用平板式和蜂窩式催化劑，兩者市場份額占90%以上。平板式催化劑和蜂窩式催化劑19世紀70年代在日本首先開發成功，并得到大規模應用。隨著歐洲和美國環境標準的嚴格，歐洲和美國開始大規模生產SCR脫硝催化劑。當時主要的蜂窩式催化劑廠商奧地利的CERAM、德國的SIEMENS（后來的ARGILLON，現在的Johnson Matthey ARGILLON）、美國的CORMETECH等，平板式催化劑廠商包括日本的日立和德國的SIEMENS（后來的ARGILLON，現在的Johnson Matthey ARGILLON），其中JM ARGILLON是全球唯一的一家同時生產蜂窩式和平板式催化劑的廠家。在20世紀80年代，Topsoe和日立造船開始開發波紋板式催化劑并應用，相對平板式和蜂窩式催化劑，其應用業績較少。
2.不同類型催化劑特點
蜂窩式催化劑、平板式催化劑和波紋板式催化劑主要是按照其斷面形狀來區分的：蜂窩式催化劑斷面為矩形，采用活性材料整體擠出成型；平板式催化劑以不銹鋼篩網板為擔體表面碾壓活性物質，每隔一段距離留有一個褶皺；而波紋板式催化劑則是以類似于紙質的纖維板制作成波紋形狀后彼此疊加工成模塊后再在溶液中浸漬、干燥和煅燒后得到。具體特性見表1。
表1 催化劑類型的比較
2.1不同類型催化劑的適用性
由于制備工藝和斷面形狀的不同，不同類型催化劑適用范圍有所不一樣。
波紋板式催化劑具有最大的比表面積，體積用量相對最小，但由于采用紙質纖維表面浸漬活性物質的制備工藝和波紋板式結構，在燃煤高灰煙氣條件下更容易堵塞。由于飛灰的磨損會造成表面活性物質快速流失，催化劑迅速失去活性；磨損嚴重時飛灰甚至會直接對紙質纖維板擔體進行沖刷造成其斷裂；另外，由于活性物質較少和紙質擔體材料強度不夠，不能夠進行再生。綜上所述，波紋板催化劑一般應用在無灰和低灰的場合，在燃煤高灰煙氣條件下性能較差，主要集中在燃油和燃氣場合，全球波紋板式催化劑的業績不到10%。
平板式催化劑空隙率高，飛灰容易通過，不易堵灰；采用不銹鋼篩網薄板作為擔體，在運行會發生持續震動，不易積灰，抗中毒性能強；由于采用不銹鋼篩網板作為支撐，機械強度大，不會坍塌，安全性好，在高灰燃煤煙氣條件下有很好的適應性。
雖然蜂窩式催化劑與平板式催化劑相比，其通流面積較小和機械強度相對較弱，其抗堵塞和抗磨損性能低于平板式催化劑，極高灰的條件下仍有一定堵塞和磨損坍塌的風險，但是由于其比表面積較大，在燃煤煙氣中低灰條件下所需體積量較小，同時，由于蜂窩式催化劑活性成分使用量較大，在高灰的磨損下表面可以得到更新，長久保持活性。
蜂窩式和平板式催化劑在燃煤電廠都有廣泛的應用，但一般來說，蜂窩式催化劑更適合于燃氣、燃油和燃煤中低灰煙氣條件脫硝，平板式催化劑更適合高灰和極高灰燃煤煙氣條件。
2.2不同類型催化劑的防堵性能
由于不同類型催化劑的斷面形狀和結構的不同，三種類型的催化劑的防堵性能也有所差異。美國一燃煤電廠對不同類型催化劑在同一SCR反應器中進行防堵性能比較實驗發現：波紋板式催化劑完全堵死；小節距蜂窩式催化劑基本堵死，大節距蜂窩式催化劑零星堵塞；平板式催化劑完全未堵塞。實驗證明平板式催化劑在高灰燃煤煙氣條件具有最好的防堵性能。
平板式催化劑之所以具有最好的防堵性能，除其通流截面積最大外，更主要是因為其采用不銹鋼篩網薄板作為擔體，制作成類似于空預器換熱板的形狀，在煙氣流通時會發生連續震動，飛灰不易在其表面沉積。
2.3不同類型催化劑的防磨損性能
由于不同類型催化劑的制備工藝和結構不同，三種類型催化劑的防磨損性能也有差異。
波紋板式催化劑由于采用紙質玻璃纖維板作為擔體，并使用浸漬工藝，在燃煤煙氣中飛灰沖擊下，會造成波紋板式催化劑表面活性物質很快流失，活性迅速下降，并可能對紙質纖維板直接沖刷，造成斷裂。
平板式催化劑和蜂窩式催化劑抗磨損性的比較
平板式和蜂窩式催化劑均可在燃煤電廠中使用，對抗飛灰磨損都有一定的效果。但是相比于采用陶土作為載體的蜂窩式催化劑，平板式催化劑是以不銹鋼篩網作為催化劑載體的，在煙氣速度較快、含灰量較高情況下，不銹鋼篩網可有效保護催化劑免受煙氣中飛灰對催化劑的磨損，從而避免坍塌。如果蜂窩式催化劑壁厚太薄，在高塵濃度沖刷下仍然具有被磨穿斷裂的風險。
2.4不同類型催化劑飛灰濃度的適應性
由于磨損和飛灰堵塞等原因，不同類型催化劑適應不同的飛灰濃度。波紋板式催化劑由于自身特點，一般很少應用在燃煤煙氣條件，蜂窩式和平板式催化劑均可以應用在燃煤煙氣條件。由于平板式催化劑自身的特點，其在高灰燃煤煙氣條件下更具優勢。根據日立BHK和ARGILLON的設計經驗，一般在25g/Nm3的飛灰濃度以上平板式催化劑的優勢就很明顯。
2.5平板式催化劑的壓降優勢
由于平板式催化劑的通流面積大，而且不易發生通道堵塞，平板式催化劑的壓降是三種類型催化劑中最小的，可以減少動力消耗。
2.6平板式催化劑和蜂窩式催化劑的互換性
在全世界范圍內，波紋板式、蜂窩式和平板式催化劑均采用模塊化設計，為了業主能有更多的選擇，不同類型催化劑可以進行互換。
2.7脫硝催化劑市場份額
在三種類型的脫硝催化劑中，蜂窩式和平板式催化劑在全世界范圍內占據90%以上的電廠脫硝催化劑市場份額，波紋板式催化劑的市場份額不到10%，蜂窩式和平板式催化劑是世界上的主流脫硝催化劑產品。在國際市場的燃煤電廠脫硝領域，板式催化劑在燃煤電廠脫硝業績略高于蜂窩式，而蜂窩狀在燃氣燃油方面，業績較為突出。在燃煤電廠業績方面板式催化劑和蜂窩狀催化劑之比為6：4。
3.結論
平板式催化劑和波紋板式催化劑是主流的脫硝催化劑類型，目前平板式催化劑與蜂窩式催化劑在燃煤電廠脫硝中份額相當。由于兩者特性不同，使用場合會有所差別：平板式催化劑在抗灰堵和安全性方面獨具優勢，從安全性角度會優先選擇平板式催化劑，尤其是對于高灰煙氣條件；但蜂窩式催化劑比表面積大，對于中低灰煙氣條件，體積需求量小，從經濟性上會優先選擇蜂窩式催化劑。
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